JPS63224657A - 単極発電機用液体金属集電子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は直流単極発電機、特に改良された液体金属集
電子に関する。

現在の研究開発の目標は、電力密度を大幅に高めた一層
小形の超大電流単極発電機を開発することである。この
目的の為、過冷却するか又は超導電の界磁コイルの様な
電流密度の高い界磁コイルを利用して、必要な高い密度
の磁界を発生する。

これと併せて回転子の周速を大幅に増加することにより
、メガアンペア規模の直流電流出力を発生することが出
来る。この様な大きな直流電流及び周速に対処する為、
発電機の回転子と固定子の間で確実に電流輸送を取扱う
為には、液体金属集電子が事実上の必要条件である。

この様な大電流及び周速では、液体金属、典型的にはナ
トリウム−カリウム共晶（Ｎ　ａ　Ｋ）の制御は、この
液体金属に作用するいろいろな力がある為に極めて困難
になる。勿論、液体金属が絶えず回転子及び固定子集電
子面をぬらし、その間のすき間を完全に埋めて、アーク
の発生及び著しい損失を避けなければならない。更に、
液体金属が通す電流と、大電流で高速で発電機が運転さ
れる間のその物理的な攪拌とにより、液体金属中にはか
なりの熱が発生され、それが液体金属の比抵抗を高めて
、損失を増加しない様にする為には、この熱を取去らな
ければならない。この為、液体金属を集電子領域から連
続的に取出し、冷却し、再循環の形でそこに戻し、しか
も集電子面の間のすき間に空所を作らないことが重要で
ある。

こういう目的を復雑なものにするのが、その中を流れる
発電機の電流とそれに関連した磁界との相互作用によっ
て起る力が液体金属に加わることである。この外向きの
ローレンツ力は、液体金属を集電子領域の外へ追出す傾
向を持ち、電流の大きさの直接的な関数である。この為
、発電機電流が増加するにつれて、ローレンツの反発力
が重要な因子になる。更に、発電機電流が、集電子すき
間内に存在する発電機の磁界の内、それを通る電流通路
に対して法線方向の成分と相互作用して、液体金属を回
転子の回転方向とは反対の円周方向に駆動する力を発生
する。

集電子すき間にある液体金属には上に述べた様な磁気流
体力学的な電動力が作用する他に、回転子の高い回転速
度の為に、液体金属に加わる機械的な力も考慮に入れな
ければならない。まず、粘性による圧送力があり、これ
は液体金属を回転子集電子面が動くのと同じ円周方向に
駆動する傾向を持つ。従って、このトルク作用を持つ力
は、発電機電流と集電子すき間にある発電機の磁界との
相互作用によって発生される磁気流体力学的な力とは反
対の円周方向に作用する。発電機の電流がゼロである時
、この粘性のトルク又は圧送力により、集電子すき間内
にある液体金属が、回転子の周速の半分に等しい速度で
円周方向に回転する。

発電機電流が増加するにつれて、それと反対に作用する
円周方向の磁気流体力学的な力も増加する。

ある電流の値で、液体金属の円周方向の運動が停止し、
更に大きな値になると、液体金属が回転子の回転方向と
は反対向きに駆動される。液体金属のこの反対廻りの回
転は、回転子に対する粘性抗力をかなり強め、一層大き
な損失を招く。

最後に、液体金属には、それと接触する回転子の面の回
転運動による半径方向の向きの、粘性の遠心力による圧
送力が作用する。

この様に液体金属に対する圧送力又は電動力が発電機の
電流及び回転子の速度と共に変化することが判る。従っ
て、発電機電流のゼロから定格値まで、並びに回転子速
度のゼロから定格値までの広い範囲の動作状態にわたり
、液体金属の所要の制御作用を行なうことが出来る設計
を開発することは極めて困難である。

以上の観点の他に、液体金属を集電子領域に再循環させ
る為に上に述べた様な磁気流体力学的な力及び機械的な
力を利用し、こうして集電子すき間を通る再循環通路に
液体金属を送込む為に、外部ポンプの余分の反雑さ及び
コストを避けることが望ましい。

従って、この発明の゛目的は単極発電機に対する改良さ
れた液体金属集電子を提供することである。

別の目的は、上に述べた性格であって、発電機の回転子
に対する粘性抗力を最小限に抑えた液体金属集電子を提
供することである。

別の目的は、上に述べた性格であって、液体金属に作用
する固有の力を有利に活用して、液体金属を集電子領域
に再循環させる液体金属集電子を提供することである。

別の目的は、上に述べた性格であって、それから熱を抽
出する為に、集電子領域に液体金属を再循環させること
が、外部循環ポンプに頓らずに達成される様な液体金属
集電子を提供することである。

別の目的は、上に述べた性格であって、効率が改善され
、極めて高い電力密度を処理することが出来る液体金属
集電子を提供することである。

別の目的は、上に述べた性格であって、広範囲の動作条
件及び長い使用寿命にわたって、設計効率がよ（動作が
確実な液体金属集電子を提供することである。

この発明のその他の目的は、一部分は明らかであろうし
、一部分は以下の説明から明らかになろう。

発明の要約 この発明では、単極発電機に対する改良された液体金属
集電子を提供する。液体金属に作用する円周方向の力を
制御して、それから熱を抽出する為に、集電子すき間に
液体金属を再循環させる点では何の惧れも伴わずに、回
転子に対する粘性抗力を最小限に抑える。この目的の為
、円周方向に相隔たる柔軟な複数個の編んだ金属フィラ
メントのブラシを固定子に取付けて、固定子集電子面か
ら集電子すき間を横切って、回転子集電子面と事実」二
接触する様に伸ばす。こういうブラシは、発電機の主電
流通路にある固定子及び回転子の導電性の集電子面の軸
方向の長さに対応する軸方向の長さを持っているが、環
状集電子すき間の円周に沿って一様に分布している。そ
の結果、こういうブラシは、発電機の電流を回転子すき
間を横切って輸送する点で液体金属と一緒に作用するが
、集電子すき間に於ける液体金属の磁気流体力学的に誘
起された、反対廻りの円周方向の流れを実効的に阻止し
、こうして他の場合に起る様な回転子の粘性抗力成分を
なくす。更に、ブラシが円周方向に又は角度方向に隔た
っていることにより、隣合ったブラシの間には、それに
作用するローレンツの圧送力によって助長される液体金
属の循環用の多数の軸方向の向きの通路が得られる。

従って、この発明は以下説明する構造に例示される様な
構造の特徴、要素の組合せ及び部分の配置で構成されて
おり、この発明の範囲は特許請求の範囲に示しである。

この発明の性質及び目的が十分理解される様に、次に図
面について詳しく説明する。

詳しい説明 第１図について説明すると、全体を１０で示す単極発電
機が、全体を１２で示す固定子を持ち、この固定子の中
孔１４の中に全体を１６で示す回転子が収容されていて
、適当な軸受（図面に示してない）によって軸線１８の
周りに回転出来る様に軸支されている。固定子が銅の様
な導電度の高い金属の端子部材２０を持ち、これが環状
集電子面２２を持っている。回転子は全部が軽量で導電
度の高いアルミニウム（又はアルミニウム・ベリリウム
合金）の円柱で構成してもよいし、或いは界磁コイル（
図面に示してない）によって発生された磁束を通す為の
鉄心２４を持っていてもよい。

回転子にこの鉄心を使う場合、その上には、発電機の主
電流を通す為の銅又はアルミニウムの導電度の高い金属
スリーブ又は円筒２６が取付けられる。円筒２６の各々
の端には（第１図では右側の端を示す）環状回転子集電
子部材２８が一体に形成されており、これが固定子集電
子面２２に対して一様なすき間を持つ円筒形の集電子面
３０を持っている。集電子面２２．３０の間で発電機の
主電流を輸送する為、その間の集電子すき間は、ナトリ
ウム・カリウム共晶（Ｎ　ａ　Ｋ）の様な導電度の高い
液体金属３２が充填される。この集電子すき間の各々の
側の固定子及び回転子の表面は、密な間隔で段形に形成
するが、その目的は後で説明する。軸方向セグメント３
４を別とすると、固定子及び回転子の同形の集電子面は
絶縁被覆３６で覆われる。この被覆はアルミナを吹付け
、それにその後でエポキシを真空含浸した形にすること
が出来る。この為、固定子と回転子の間の電流の輸送は
、固定子及び回転子の円筒形の集電子面２２゜３０の明
確に限定された軸方向セグメント３４に制限され、この
セグメン゛トはセラミック被覆３６がなく、液体金属３
２がその間の環状集電子すき間を埋めている。

この発明では、第２図に見られる様に、複数個のブラシ
４０が、この環状集電子すき間の円周に沿って角度方向
に一様な間隔で設けられている。

これらのブラシは大体り字形をした導電性金属フィラメ
ントの柔軟な網目で形成することが好ましく、半径方向
外側の脚部４０ａを固定子の端子部材２０に取付ける。

半径方向内側の自由な脚部４０ｂは最初は、導電性の回
転子集電子面３０に対し、その軸方向の範囲３４にわた
って、接線方向に擦れ合う様に配置される。ブラシの脚
部４０ｂがブラシの脚部４０ａから第２図に矢印６６で
示した回転子の集電子面の移動方向に伸びることが判る
。各々のブラシは平坦な銅の編組を平坦にし、折返して
２倍の厚さにしてから、図示のＬ字形に形成することに
よって構成することが出来る。ブラシのフィラメントは
、比抵抗が非常に小さくなる様に、液体金属３２に対し
て完全に両立性を持つと共に、液体金属でぬらすことの
出来るものでなければならない。錫めっきした銅の編組
が好ましいが、この他の編んだ（又はその形で柔軟な）
導電性の材料を使うことが出来る。液体金属によるぬれ
をよくする為に、電気めっきした金、銀、錫、ニッケル
等の種々の表面仕上げを編んだフィラメントに適用する
ことが出来る。

ブラシ４０を固定子の端子部材２０に取付けるには、固
定子集電子面２２に形成された半径方向の溝孔に挟んだ
ま＼、端子部材に対して脚部４０ａを電子ビーム溶接す
ると云う様な幾つかの方法を用いることが出来るが、第
２図は、銅の編組を導電性の金属ダボ４２の周りに折返
し、固定子集電子面に形成された鍵穴形の溝４４に捕捉
することを例示している。この代りに、ブラシを回転子
に取付けてもよいことが理解されよう。

第１図に戻って説明すると、液体金属３２が、１つ又は
更に多くの入口通路４６を介して集電子すき間より内側
で、環状集電子すき間に供給され、固定子１２に形成さ
れた１つ又は更に多くの出口通路４８を介してそこから
集電子すき間の外側へ取出される。これらの通路が液体
金属再循環ループに接続されている。このループが脱ガ
ス器５０及び熱交換器５２を含む。脱ガス器５０が液体
金属に巻込まれた窒素の様な不活性カバー・ガスを除去
し、回収したガスを４８ａに略図で示す様に、固定子と
回転子の間のすき間に戻し、そこで集電子領域の各々の
側に形成された段形部分を軸方向に越えて、液体金属が
脱出するのを防止する為の圧力を加える。熱交換器が液
体金属から熱を取出してから、入口通路４６及び集電子
すき間に戻す。

周知の様に、全体を矢印５２で示す様に、回転子１６内
の通路から、発電機の電流が集電子すき間を半径方向に
流れている間、この電流とその磁界（即ち、同じ電流に
よって発生された円周方向の磁界）の相互作用により、
絶縁されていない集電子面２２．３０の間の集電子すき
開山にある液体金属には、右向き又は、第１図に矢印５
４で示す外向きの力が発生される。このローレンツ力を
ｑ刊に利用して、液体金属を入口通路４Ｂから出口通路
４８に向って集電子すき間の中に軸方向に推進させる。

この液体金属の流れはブラン４０によって妨げられない
。これは、第２図に見られる様に、ブラシの間の空間が
多数のじゃまのない軸方向の向きの流路５６になってい
るからである。

このローレンツ圧送力が発電機電流の大きさの増加と共
に増加することを有利に利用して、低温で流れる液体金
属集電子を達成する為に、最も必要とする時に、集電子
すき間を通る軸方向の液体金属の流れを強める。

回転子１６の高速回転の間、集電子すき間の外側、又は
第１図で見て右側で、固定子及び回転子にある相補形の
段形形成部５８の間の環状すき間にある液体金属に加え
られる粘性の遠心力による圧送力が、ローレンツ圧送力
に対して反対に作用する。液体金属とガスの界面６０に
存在するカバー・ガスの圧力が、この遠心力による粘性
の圧送力を補う。

人体出口通路４８に対する入口の所に、この様な対抗す
る動的な圧送水頭の間の平衡点を達成し、こうして液体
金属を通路４８、脱ガス器５０．熱交換器５２及び入口
通路４６を通る所望の再循環通路に推進させる為の有効
な静水圧圧送水頭を発生することが望ましい。この目的
の為、軸方向の範囲３４の右側の縁に於ける縁の電流通
路を考慮に入れて、通路４Ｂに対する入口近くの液体金
属を、集電子すき間に通される発電機電流の最高レベル
から隔離するのに必要な程度に、固定子及び回転子集電
子面の縁部分２２ａ、３０ａまで絶縁被覆３６を延長す
る。即ち、液体金属のこういう部分はローレンツ力の作
用を受けず、この為、軸方向の範囲３４にわたる集電子
すき間に存在するローレンツの動的な水頭が、大体通路
４８の入口の所、又はそれより若干内側又は左側の所の
静水圧水頭に変換される。

第１図で、絶縁被覆３６が固定子及び回転子集電子面の
内側の縁の表面部分２２ｂ、３０ｂにも延長しであるこ
とが認められよう。この結果、ブラシ４０は入口通路４
６の出口から軸方向に隔たっている。この為、じゃまの
ない環状室６２が得られ、これは入口マニホルドとして
作用し、入口通路４６が多数のｅ＋ｈ方向の流路５６と
流体が連通ずることが出来る様にする。室６２内の液体
金属には実質的に磁気流体力学的な効果、即ち、発電機
電流と、集電子すき間に存在する発電機の磁界の軸方向
成分との相互作用によって発生されるローレンツ圧送力
及び円周方向の圧送力がない。この為、室６２内にある
液体金属に対する支配的な圧送力は、この室の境界とし
ての、高速で回転する回転子面によって発生される粘性
抗力による円周方向の圧送力である。この圧送力を有利
に利用して、人口通路から供給された冷却された液体金
属を環状の流れ全体にわたって集電子すき間に速やかに
分配する。

ブラシ４０が出口通路４８に対する入口から軸方向に隔
たっていると云う点で、集電子領域の外側の端でも同じ
ことが云える。この為、じゃまのない環状室６４が得ら
れ、これが出口マニホルドとして作用し、軸方向の流路
５６が出口通路４８と自由に流体が連通ずることが出来
る様にする。

同様に、粘性の円周方向°の圧送力が軸方向の流路５６
を出て行く液体金属を環状室６４全体にわたって分配し
て、その中の静水圧水頭によって出口通路４８の外へ圧
送されるのに備える。

ブラシ４０が問題とする液体金属に対する円周方向の圧
送力を考えると、第２図に矢印６６で示す様に仮定した
反時計廻りに回転子１６が回転すると、矢印６８で示す
様に、液体金属３２にはやはり反時計廻りの粘性の圧送
力が作用する。集電子すき間の軸方向の範囲３４にわた
って、発電機電流がこのすき間にある液体金属を通って
輸送されることにより、この電流と集電子すき間にある
発電機の磁界の軸方向成分との相互作用により、矢印７
０で示す様に、時計例りに磁気流体力学的な圧送力が発
生される。これらの２つの液体金属に対する圧送力が反
対向きであり、発電機電流が大きい時には、磁気流体力
学的な圧送力が支配的になり、集電子すき間にある液体
金属を、回転子の回転方向とは逆の時計廻りに回転させ
る。その結果、回転子に対する粘性抗力が目立って増加
し、これは発電機の損失の増加となる。

第２図で、ブラシ４０が集電子すき間に半径方向に張り
わたされる様に位置ぎめされていて、集電子すき間にあ
る液体金属の目立った反対の回転を妨げる障壁として作
用することが理解されよう。

この為、それに伴う損失が実質的避けられる。発電機の
電流レベルが高い時には、液体金属の反対廻りの回転が
ある程度あるが、それは個別の流路５６に制限されてお
り、そこではかなりの速度に達する惧れは存在しない。

ブラシ４０が集電子すき間の導電部分（軸方向の範囲３
４）にある液体金属の円周方向の運動を有効に制御する
から、液体金属の円周方向の運動に対する影響に関する
限り、回転子速度及び発電機電流の変動が、集電子すき
間を通る液体金属の軸方向の循環に目立った影響を持つ
ことはない。この為、液体金属集電子は、軸方向のロー
レンツ圧送力及び半径方向の遠心力による圧送力を最大
限に活用して、集電子領域を通る液体金属の所要の循環
を行なわせ、こうして低温で流れる液体金属集電子を達
成する様に設計することが出来る。

この為、これまでの説明から明らかになったものも含め
て、最初に述べた目的が効率よく達成されたことが判る
。この発明の範囲内で、以上説明した構造に変更を加え
ることが出来るから、以上の説明又は図面に示したこと
はこの発明を例示するものであって、制約するものでは
ないことを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従って構成された液体金属集電子を
用いた単極発電機の部分的な断面図、第２図は第１図の
線２−２で切った断面図である。 主な符号の説明 １２：固定子 １４：中孔 １６：回転子 １８：軸線 ２２．３０：環状集電子面 ３２：液体金属 ４０：ブラシ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固定子及び軸線の周りに回転する様に装着された回
   転子を持つ単極発電機に対する電流集電子に於て、 前記固定子内に形成された環状固定子集電子面と、 該固定子集電子面に対して同軸に回転する様に前記回転
   子上に形成され、前記固定子集電子面から隔たってその
   間に環状集電子すき間を構成する環状回転子集電子面と
   、 該集電子すき間を充填するある量の液体金属と、前記固
   定子及び回転子の一方に装着されていて、前記集電子す
   き間の円周に沿って角度方向に相隔たる場所で該すき間
   内に突入する複数個の障壁とを有し、該障壁の軸方向の
   範囲は前記集電子すき間を通る電流輸送通路の軸方向の
   範囲に対応しており、この為、前記障壁が、前記集電子
   すき間内にある液体金属に磁気流体力学的な円周方向の
   圧送力が加えられたことに応答して、前記集電子すき間
   内に於ける液体金属の反対廻りの移動を実質的に妨げる
   様にした電流集電子。 ２）特許請求の範囲１）に記載した電流集電子に於て、
   前記障壁が導電性金属フィラメントで構成された柔軟な
   ブラシの形をしている電流集電子。 ３）特許請求の範囲２）に記載した電流集電子に於て、
   前記ブラシが前記固定子に取付けられている電流集電子
   。 ４）特許請求の範囲３）に記載した電流集電子に於て、
   前記ブラシが全体的にＬ字形であって、第１の脚が前記
   固定子に取付けられて、全体的に半径方向に前記集電子
   すき間の中に伸び、第２の脚が前記回転子集電子面に対
   して略接線方向に配置されている電流集電子。 ５）特許請求の範囲４）に記載した電流集電子に於て、
   前記ブラシの第２の脚がその第１の脚から、回転子集電
   子面の回転方向に伸びている電流集電子。 ６）特許請求の範囲５）に記載した電流集電子に於て、
   前記ブラシの第１の脚が、前記固定子集電子面内に形成
   された鍵穴形溝内に導電性ダボによって捕捉されている
   電流集電子。 ７）特許請求の範囲５）に記載した電流集電子に於て、
   前記固定子及び回転子集電子面の軸方向に相隔たる縁の
   周縁部分に絶縁被覆が適用され、前記ブラシが該絶縁被
   覆の間の軸方向の間隔に張りわたされている電流集電子
   。 ８）特許請求の範囲７）に記載した電流集電子に於て、
   前記固定子には、前記ブラシの軸方向片側に形成された
   少なくとも１つの入口通路と、前記ブラシの軸方向反対
   側に形成された少なくとも１つの出口通路とがあり、前
   記通路は前記液体金属が前記ブラシの間の集電子すき間
   を軸方向に通って再循環することが出来る様にしている
   電流集電子。